汽轮机主控制系统的前馈控制研究

汽轮机主控制系统的前馈控制研究

协调管理系统通过主电机控制器控制主蒸汽的压力和机组的负荷，并通过间接平衡机炉的供应能量来控制。随工况的变化单元机组锅炉侧的动态特性变化较大,且主蒸汽压力和机组负荷具有非线性、强耦合性等特点。因此,单纯采用IEB协调控制策略,在机组变动工况运行时难以取得较好的控制品质。为此,本文采用汽包锅炉动态模型,结合工程经验,在传统的IEB控制系统(炉跟机协调)基础上,提出了适应于汽包锅炉特性的前馈控制策略,分析了该前馈的控制特点,并由此给出了控制参数的在线整定方法。通过优化前馈控制策略和对机炉主控制器参数的整定,使得在不同幅值的变负荷工况下,显著改善了机组的动态调节品质。1协调控制对象的非线性利用已建立受控系统的数学模型,根据受控系统或受控过程的实际输入输出数据,确定了一定工况下(协调控制范围)能代表该系统或该过程特性的数学模型,得出汽包锅炉单元机组协调控制对象的简化数学模型(图1)。由图1可见,协调控制对象的非线性主要在于锅炉侧的主蒸汽压力和热负荷,以及不同主蒸汽压力下汽轮机通流量和汽轮机调节阀开度。数字式电液控制系统(DEH)中的阀位-流量曲线已将定压运行方式下的调节阀开度与通流量的关系线性化,在炉跟机协调控制方式下机组负荷响应速率较快,负荷由汽轮机主控回路控制,从而使得DEH控制精度较高。协调控制的难点在于锅炉主控对主蒸汽压力的控制,其具有较强的大惯性、非线性和强耦合性。基于汽包锅炉协调控制对象数学模型构建炉跟机协调控制模型(图2),在对锅炉主控PID进行变参数处理的同时,加入前馈增益K的控制逻辑,以解决汽包锅炉在炉跟机协调控制方式下难以控制主蒸汽压力的问题。2实际机组测试协调控制对象采集试验选择的工况区应尽量靠近工况的线性区。对于大唐同煤塔山电厂2×600MW机组,选择350MW和500MW工况点进行汽轮机调节阀开度为2.5%和5%的阶跃扰动试验,得到拟合后的主蒸汽压力响应传递函数Fcn3和机组负荷响应传递函数Fcn4:Fcn3=−0.15e−8s/(1800s2+90s+1)(2)Fcn4=13.49e−3s/(25s2+10s+1)(2)Fcn3=-0.15e-8s/(1800s2+90s+1)(2)Fcn4=13.49e-3s/(25s2+10s+1)(2)进行燃料量为15t/h和25t/h的阶跃扰动试验,得到对应的主蒸汽压力的传递函数Fcn1和从主蒸汽压力到机组负荷的传递函数Fcn2。Fcn1=0.08e−60s/(22500s2+300s+1)(3)Fcn2=26.3/(30s+1)(4)Fcn1=0.08e-60s/(22500s2+300s+1)(3)Fcn2=26.3/(30s+1)(4)上述试验和机组实际变负荷试验的结果表明,以炉跟机的协调控制方式对实现自动发电控制(AGC)功能有利。主蒸汽压力作为反映机炉能量平衡的标量,存在较大惯性和强耦合性,IEB协调控制系统在完成对参数整定的同时,加入前馈增益K,超前控制燃料量,将大大改善主蒸汽压力的控制品质。3负荷前馈和能量需求图3、图4分别为负荷和主蒸汽压力需求的前馈控制策略,前馈增益K为负荷前馈控制输出Nk与主蒸汽压力前馈控制输出ptk之和与PID控制器联合控制锅炉的热负荷,以满足汽轮机侧对负荷快速响应的需求。负荷需求的前馈主要由负荷指令三角函数Nk1、燃料量基准函数Nk2和功率变化速率需求Nk3组成。Nk1用于负荷大幅度扰动时少量的补偿燃料量,以快速提高或降低主蒸汽压力。Nk2体现机组负荷和燃料量的基本平衡,由机组负荷变化量直接增、减燃料量,机组负荷变化速率需求可以补偿不同负荷变速率对燃料量的需求。主蒸汽压力的需求前馈由汽轮机能量需求基准煤量函数ptk1、汽轮机侧能量需求微分函数ptk2、主蒸汽压力设定变化率需求ptk3、压力偏差微分需求ptk4组成。引进直接能量平衡(DEB)协调控制策略的能量需求信号p1×psp/pt。在机组负荷变化期间,该信号能够及时动态补偿汽轮机对锅炉蓄能的瞬态需求,达到超前控制目的。4机组投入协调控制方式整定协调控制系统的机炉主控器参数,以保证系统调节的稳定性;依据各环节需求量,逐一调整前馈增益;通过变负荷试验进一步优化参数。依据主蒸汽压力对汽轮机调节阀的响应曲线Fcn3整定机跟踪方式的参数;依据主蒸汽压力对燃料量的响应曲线Fcn1整定炉跟踪方式的参数;依据机组负荷对汽轮机调节阀的响应曲线Fcn4整定汽轮机主控系统的参数,以适应炉跟踪协调控制方式下负荷响应时间常数远小于主蒸汽压力响应时间常数的特性;投入协调控制方式,优化汽轮机主控系统的参数,完成炉主控系统PID参数的整定。在机组投入协调控制方式且定负荷运行工况下,进行变压力扰动试验。依据扰动量整定ptk2、Ptk3和ptk4;在机组投入协调控制方式且定压运行工况,进行变负荷扰动试验,整定Nk1和Nk3;在机组投入协调控制方式且滑压运行工况下,整定Nk2和ptk1的前馈,由于p1×psp/pt静态时与负荷成定比例关系,若能够较准确整定ptk1参数,可将Nk2的前馈忽略。同时,为了使在大阶跃连续变负荷工况下快速增加锅炉的蓄热,可以适当加入Nk1的前馈,平衡各项参数,以提高主蒸汽压力调节品质。在机组协调控制方式且前馈控制投入的工况下,负荷基准燃料量的前馈作用不宜过强,以防止燃料量增减过量,其剩余量可由燃料量控制回路自行补偿,并依据变负荷试验参数进一步优化各项参数。5机组负荷变化情况机组协调控制系统采用IEB加前馈的复合控制方式,变负荷速率为2%且机组滑压运行工况下进行负荷响应试验。大唐同煤塔山电厂2×600MW机组负荷由430MW升至530MW和华润曹妃甸电厂2×300MW机组负荷在50%～100%范围内变化时机组各主要参数的变化趋势见图5、图6。试验过程中,主蒸汽压力最大动态偏差<0.35MPa,表明该控制系统具有较好的控制品质。6现场采集数据对前馈控制的设计和参数整定基于汽包锅炉动态模型,依据现场采集数据,对IEB协调控制系统的前馈控制策略进行了优化,并给出了各控制参数的整定方法,实现了机炉协调加前馈的复合控制。依据现场采集数据构建的数学模型,可进一步构建系统仿真模型,实现参数的离线整定。但是,对模型辨识具有较高要求,受到机组运行工况及状态、